Ludwig-Maximilians-Universität München
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Nervenzellen

Dornfortsätze arbeiten wie Mini-Neuronen

München, 22.01.2015

Nervenzellen verfügen über ein viel größeres Repertoire zur Informationsverarbeitung als bisher angenommen: Kleine Dornfortsätze von Nervenzellen können lokale Reize selbstständig verarbeiten.

Schematische Darstellung des Netzwerks des Bulbus olfactorius (Riechkolben) mit einzelnen lokal aktiven Körnerzell-Spines (rote Sterne). Grafik: Universität Regensburg

Neurowissenschaftler der LMU und der Universität Regensburg haben die Nervenzellen des Riechkolbens bei Säugetieren untersucht. Das Forscherteam konnte nachweisen, dass „Spines“ (Dornfortsätze) auf den Dendritenbäumen der Nervenzellen lokale Reize selbstständig verarbeiten können. Unabhängig vom Erregungszustand der restlichen Zelle operieren sie dabei als „Mini-Neuronen“. Die Studie wurde jetzt in der Fachzeitschrift Neuron veröffentlicht.

Nervenzellen verständigen sich untereinander durch elektrische Signale. Dafür nehmen sie über ihre baumartig verzweigten Dendriten Signale anderer Nervenzellen auf, verarbeiten diese und leiten ein entsprechendes „Aktionspotenzial“ entlang dünner Fortsätze – den Axonen – an andere Neuronen weiter. Auf ihren Dendriten tragen die meisten Nervenzellen des Säugergehirns überdies sogenannte Dornfortsätze, auch „Spines“ genannt. Dabei handelt es sich um kleine Ausstülpungen, auf denen sich die Kontaktstellen (Synapsen) zu den anderen Neuronen hauptsächlich befinden. Die konkrete Funktion der „Spines“ war bislang nur teilweise verstanden, wobei einzelne Theoretiker bereits in den 1960er-Jahren vorgeschlagen haben, dass sie eine lokal begrenzte elektrische Verstärkung der eintreffenden synaptischen Signale ermöglichen könnten. Dies würde die Möglichkeiten der Informationsverarbeitung von Nervenzellen deutlich erweitern.

Das Forscherteam um Professor Veronica Egger von der Universität Regensburg hat am Beispiel der „Spines“ in einem besonderen Typus von Nervenzellen – Körnerzellen des Bulbus olfactorius – erstmals experimentell nachgewiesen, dass eine solche lokale Signalverstärkung tatsächlich möglich ist. Der zugrundeliegende Mechanismus, ein auf einen einzigen „Spine“ beschränktes Aktionspotenzial – konnte in enger Zusammenarbeit mit Theoretikern um Professor Andreas Herz und Dr. Martin Stemmler von der LMU und dem Bernstein Center for Computational Neuroscience in München aufgeklärt werden.

Im Fall der Körnerzellen des Riechkolbens von Säugern hat die lokale Signalverstärkung eine besondere Bedeutung: Diese Neuronen besitzen kein Axon, sondern können vielmehr über ihre dendritischen „Spines“ synaptische Botenstoffe sowohl empfangen als auch freisetzen. Ähnliche reziproke Synapsen beziehungsweise Kontaktstellen zwischen Nervenzellen finden sich allerdings auch in anderen Hirnarealen, beispielsweise in der Netzhaut und im Thalamus.

Der jetzt nachgewiesene Verstärkungsmechanismus beruht darauf, dass die „Spines“ der Körnerzellen über spannungsabhängige Proteine verfügen, die sonst vorwiegend in Axonen vorzufinden sind. Damit können sie unabhängig vom Zustand der restlichen Körnerzelle als „Mini-Nervenzellen“ operieren. Die Forscher aus Regensburg und München erwarten vergleichbare Ergebnisse für die anderen Typen reziproker Synapsen im Nervensystem von Säugern. Die Leistungsfähigkeit zur Informationsverarbeitung bei Nervenzellen ist also weit komplexer als bislang vermutet.
(Neuron, DOI: 10.1016/j.neuron.2014.12.051)